The effect of acute zinc administration on the levels of c-fos and Arc in rat brain

Abstract

Cynk jest mikroelementem niezbędnym dla prawidłowego funkcjonowania wszystkich organizmów żywych. Wpływa on na szereg procesów fizjologicznych w całym ustroju. Pełni on także istotną rolę w układzie nerwowym, gdzie jest uwalniany z zakończeń neuronów cynkoergicznych i moduluje działanie licznych receptorów. Wiele prac podkreśla związek cynku z depresją i wskazuje na jego przeciwdepresyjne działanie. Jak dotąd, opracowano kilka hipotez tłumaczących jego przeciwdepresyjne właściwości.W niniejszej pracy zbadano wpływ jednorazowych podań cynku na poziom genów wczesnej odpowiedzi komórkowej Arc i c-fos w wybranych strukturach mózgu szczura: korze przedczołowej, hipokampie, ciele migdałowatym oraz wzgórzu. Cynk podawano dootrzewnowo w postaci wodoroasparaginianu cynku w dawkach odpowiadających 2,5; 5 i 7,5 mg Zn/kg masy ciała szczura, a następnie izolowano tkanki w odpowiednim czasie. W pierwszej części badań określono wpływ każdej z trzech dawek cynku na poziom mRNA genów Arc i c-fos we wszystkich czterech strukturach oraz na poziom białek Arc i c-Fos w korze przedczołowej i hipokampie po 60 min od podania. W dalszych eksperymentach sprawdzono efekt podania dawki 5 mg Zn/kg po 7, 15 i 30 min od iniekcji na poziom transkryptów oraz produktów białkowych Arc i c-Fos w korze przedczołowej i hipokampie. W celu określenia poziomu mRNA badanych genów zastosowano technikę real-time RT-PCR. Poziom białek Arc i c-Fos oznaczano metodą Western Blot. Uzyskane wyniki sugerują istnienie dawkozależnego efektu oddziaływania cynku na ekspresję genów Arc i c-fos w korze przedczołowej i hipokampie. Dla większych dawek cynku zanotowano większy spadek poziomu mRNA oraz białek Arc i c-Fos po 60 min od podania. W ciele migdałowatym i wzgórzu nie zaobserwowano zmian w poziomie mRNA i białka Arc i c-Fos po 60 min od podania. W przypadku podania cynku w dawce 5 mg/kg zaobserwowano wzrost poziomu transkryptów obu genów w korze przedczołowej już po 7 min od podania, jednak jest to działanie krótkotrwałe, a stężenie transkryptów ulega istotnemu obniżeniu już po 30 min od iniekcji. W hipokampie zarówno poziom mRNA jak i białka Arc i c-Fos nie zmieniał się istotnie w czasie od 7 do 30 min od podania cynku. Wyniki te sugerują, że efekt cynku na ekspresję Arc i c- Fos może być zależny nie tylko od czasu, ale również od struktury mózgu. Dalsze badania z wykorzystaniem innych metod są niezbędne dla potwierdzenia otrzymanych wyników.Zinc is a trace element essential for all the living organisms. It participates in countless physiological reactions throughout the human body. Its vital role is also prevalent in the nervous system, where it is released from the boutons of the zincergic neurons and modulates the action of many receptors. A wide body of literature highlights the relationship between zinc and major depression disorder and its antidepressant activity. Several mechanisms have been also proposed to explain the antidepressant properties of zinc. The purpose of this study was to investigate the effect of acute administration of zinc on the levels of the immediate early genes Arc and c-fos in rat brain, specifically in the amygdala, hippocampus, prefrontal cortex and thalamus. Following intraperitoneal injection of 2.5, 5 or 7.5 mg Zn/kg, the brains were extracted in due time and the quantities of Arc and c-fos mRNA and the proteins have been assessed using real-time RT-PCR and Western Blot techniques. Firstly, the influence of the above mentioned doses of zinc on the levels of Arc and c-Fos mRNA (in all four structures) and protein (prefrontal cortex and hippocampus) was evaluated 60 min after the injection. Secondly, the impact of the dose of 5 mg Zn/kg on the mRNA and protein levels of both Arc and c-Fos in prefrontal cortex and hippocampus was determined 7, 15 and 30 min after the injection. Obtained results imply that the effect of zinc on the expression of the genes Arc and c-fos in the rat prefrontal cortex and hippocampus is dose-dependent. 60 min after the administration, the observed decreases in both Arc and c-fos mRNA and protein levels were more significant for the doses 5 and 7.5 mg Zn/kg than for 2.5 mg Zn/kg. No changes in the regards of the amount of investigated genes mRNA have been noted in the amygdala or in the thalamus. On the other hand the dose of 5 mg Zn/kg was sufficient to increase Arc and c-fos mRNA levels in the prefrontal cortex 7 min after zinc administration. However, this effect was short-lasting and the amounts of the gene transcripts declined significantly 30 min post-injection. In contrast, in the hippocampus neither Arc nor c-fos mRNA nor protein concentrations have been altered throughout the time course 7-30 min after zinc administration. Obtained data indicate that zinc’s effects on the expression of Arc and c-Fos might be time-dependent and may vary depending on the structure of the brain. Further studies using a different methods are needed to confirm the present results